Oscillateurs à quartz

Les oscillateurs à quartz utilisent le principe de la piézoélectricité découverte par Pierre Curie à la fin du 19ème siècle : une onde acoustique se propageant dans un cristal piézoélectrique crée une contrainte dans le cristal qui induit une tension proportionnelle à cette contrainte. Une vibration acoustique résonante crée donc aux bornes d’un résonateur piézoélectrique un signal électrique périodique de fréquence égale à celle de la résonance mécanique. Même s’il existe des matériaux piézoélectriques autres que le quartz, de formule SiO2, ce dernier est très majoritairement pour réaliser des oscillateurs, ce qui explique l’appellation générique d’« oscillateurs à quartz ».

Un oscillateur à quartz inclut un résonateur à quartz qui va fixer la fréquence d’oscillation et une contre réaction amplifiée permettant d’entretenir l’oscillation résonante. La fréquence du signal électrique délivré par l’oscillateur est donc principalement fixée par la fréquence de résonance mécanique du résonateur. En fonction du type de cristal, de sa coupe et da géométrie, différents modes de propagation et de résonance peuvent être envisagés: ondes de surface (SAW – Surface Acoustic Waves), ondes de volumes (BAW – Bulk Acoustic Waves). Les performances finales de l’oscillateur dépendent directement de la qualité du matériau et des procédés de fabrication du résonateur, ainsi que de l’intégration du résonateur et de l’électronique associée dans l’oscillateur.

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Une caractéristique importante du résonateur est le facteur de qualité qui est égal au rapport de la fréquence d’oscillation à la largeur en fréquence de la résonance. Plus le facteur de qualité est important et plus l’oscillateur à quartz aura de bonnes performances en bruit de phase et stabilité de fréquence. Les facteurs de qualité des meilleurs oscillateurs à quartz sont aujourd’hui de l’ordre de 109, correspondant à des stabilités de fréquence à court terme meilleures que 10-13 en valeur relative. Ce niveau de stabilité est nécessaire dans les horloges atomiques de hautes performances, dans les systèmes radar ou dans des techniques d’orbitographie précise de satellites par mesures Doppler de vitesse, tel le système DORIS développé par le CNES.

La capacité de fabriquer en très grande série des oscillateurs à quartz offrant d’excellents compromis en termes de performances / consommation électrique / volume / fiabilité / coût a conduit à la situation actuelle ou quasiment tous les dispositifs électriques ou électroniques grand public incluent un oscillateur à quartz : montres, horloges, téléphone mobile, ordinateur, télévision, télécommandes, appareils photos numériques, … Les oscillateurs à quartz y sont utilisés en références de fréquence ou de temps, et aussi pour réaliser des filtres de très grande acuité grâce à leur facteur de qualité important. Le marché mondial des oscillateurs à quartz est considérable puisque plusieurs milliards d’unités sont fabriquées chaque année, dans différentes versions dont les plus économes ne consomment que quelques microwatts.

Le principal défaut des oscillateurs à quartz est la forte sensibilité de leur fréquence avec l’environnement :  thermique, vibrationnel, magnétique, radiatif. Cette forte sensibilité est a contrario mise à profit dans des capteurs piézoélectriques délivrant une fréquence dont la valeur est directement reliée à une température, une force, une accélération, une contrainte, etc… La sensibilité des oscillateurs à quartz aux radiations peut poser des problèmes pour des applications spécifiques, en particulier spatiales.

Afin de minimiser la sensibilité thermique, les oscillateurs à quartz sont conçus pour fonctionner au voisinage d’une température correspondant à un point d’inversion où la sensibilité thermique est nulle au premier ordre. Pour réduire encore plus l’influence des variations de la température sur la fréquence de l’oscillateur, différents niveaux de contrôle sont mises en place dans les dispositifs de très haute performance : TCXO‑Temperature Compensated crystal Oscillator, OCXO‑Oven Controlled crystal Oscillator. Par exemple, un oscillateur à quartz de sensibilité thermique de +/- 10 ppm (ppm : partie par million) pour un fonctionnement dans une gamme de température [-50°C,+50°C] verra sa sensibilité réduite à +/- 1 ppm (resp. +/- 0,01 ppm) dans un dispositif TCXO (resp. OCXO).

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Variation de fréquence en fonction de la température pour un OCXO

Les recherches actuelles visent à poursuivre l’amélioration des performances des oscillateurs à quartz tout en cherchant à réduire au mieux la consommation et le volume pour l’intégration dans des dispositifs miniaturisés. L’utilisation d’autres matériaux piézoélectriques ayant de meilleures propriétés que le quartz – couplage piézoélectrique plus élevé, vitesse et atténuation acoustiques réduites, meilleures caractéristiques mécaniques, … –   est une piste prometteuse explorée avec des matériaux tels que l’orthophosphate d’aluminium (AlPO4) ou de Gallium (GaPO4), la langasite (La3Ga5SiO14), la langanite (La3Ga5.5Nb0,5O14) ou la langatate (La3Ga5.5Ta0,5O14).

Par ailleurs, de nouveaux types d’oscillateurs en silicium reposant sur des technologies MEMS remplacent de plus en plus les oscillateurs à quartz dans des applications peu demandeuses en performances, mais exigeantes en termes d’encombrement, de consommation et de coût de fabrication.

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